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INTRODUCTION

Les méthodes de test permettant d’évaluer les technologies bipolaires soulèvent de nombreuses questions. Pour aborder le problème de la sensibilité accrue à faible débit de dose, nous pensons qu’il est préférable de reproduire au sol les phénomènes intervenant lors d’une mission. Nous avons donc proposé une nouvelle approche basée sur des expériences de commutation.
L'idée de base des expériences de commutation est de réaliser simultanément, différentes irradiations à faible débit de dose sur des composants préalablement irradiés à fort débit de dose et ce, pour différentes doses totales. Le schéma décrivant une telle expérience est présenté sur la Figure 1. Sur cette figure, pour prédire le comportement des composants bipolaires, les composants à tester sont répartis en cinq lots. Le premier lot n’est pas irradié alors que les autres lots sont irradiés à fort débit de dose jusqu’à différentes doses totales. Tous les lots de composants sont ensuite irradiés à faible débit de dose (correspondant aux cinq segments de droite gris foncés sur la Figure 1). La courbe de dégradation à faible débit de dose peut être reconstituée en recalant tous les segments sur le premier lot (obtenu après une simple irradiation faible débit). Cette approche permet ainsi un gain de temps tout en utilisant un faible débit de dose.
Un pas de dose constant entre chaque lot est utilisé dans l’exemple ci-dessous, mais ce n’est pas un paramètre fixe ; la possibilité d’un pas variable sera abordée ultérieurement.

Figure 1: Schéma des expériences de commutation.

L’intérêt majeur de la nouvelle approche que nous proposons est l’utilisation d’un faible débit de dose permettant d’obtenir une dégradation qui répond à des mécanismes physiques identiques à ceux mis en jeu lors d’une mission spatiale. Puisque le comportement après commutation est le même que lors d’une simple irradiation à faible débit, la prédiction de la dégradation devrait être possible quelle que soit la dose totale considérée.

La Figure 2 présente un exemple d'application obtenu sur un LM139 de NSC. Quatre lots de composants ont été irradiés à faible débit de dose après avoir été irradiés à fort débit de dose (pour des doses totales de 0, 10, 31 et 84 krad). Les différents tronçons obtenus sont indiqués sur la figure de gauche. A partir de ces tronçons, une estimation de la dégradation faible débit de dose est réalisée en translatant les tronçons. Un très bon accord est obtenu entre la dégradation à faible débit de dose et celle estimée par la méthode de commutation, comme le montre la figure de droite.

Figure 2: Application de la méthode de commutation

Le but de ce travail est donc de valider l'approche « commutation du débit de dose » sur un large panel de composants, de paramètres électriques et de polarisations afin de proposer dans un délai de 38 mois maximum une méthode de test applicable aux technologies bipolaires. Ce délai correspond à la période nécessaire à l’obtention de données à faibles débits de dose ; les données à faibles débits de dose nous permettant de valider la méthode.

Ce travail s'organise autour de trois phases:

Phase expérimentale: large campagne de test permettant d'obtenir toutes les données nécessaires à l'étude.

Phase méthode et analyse des résultats: mise en place de la méthode à partir des premiers résultats, choix des débits de dose, des pas de commutations...

Phase optimisation: définition précise des conditions expérimentales à respecter et des outils permettant une bonne estimation/prédiction.

Avant cela, une concertation avec nos partenaires industriels est indispensable afin de définir les paramètres pertinents à prendre en compte: composants, paramètres électriques à mesurer (statique/dynamique), polarisation, débits de dose disponible pour les tests, dose totale... (dans la suite de ce rapport, le terme « industriel » fera référence aux résultats tirés de cette concertation).
En effet, quatre points nous paraissent essentiels afin d’obtenir une méthode de test pratique:

le nombre de composants à tester (le nombre de lots et de composants par lots). Ce nombre devra être le plus faible possible. La phase d'optimisation permettra une réduction du nombre de composants à tester grâce à des outils d'optimisation.

Un test conservatif. Le choix des débits de dose sera un point fondamental qui devra assurer que le test soit conservatif.

La durée du test. La durée du test doit correspondre aux impératifs des industriels.

Les moyens d'irradiations. Le choix des installations permettant le test doit correspondre aux installations accessibles aux industriels.

Il faut également mettre en oeuvre un test permettant de vérifier rapidement si un composant est sensible ou non aux effets de débits de dose. Ce test sera détaillé dans la troisième phase.

PHASE EXPERIMENTALE

Le but de cette première phase est d'obtenir toutes les données nécessaires permettant une étude la plus large possible.
Cette phase sera décomposée en différentes parties selon le type d'expérience réalisée:

faibles débits de dose,

forts débits de dose,

expériences de commutation... .

Cette décomposition est nécessaire étant donné les longues périodes associées aux expériences à faibles débits de dose. La dose totale maximale étudiée sera de 100 krad.

Pour l’ensemble de ces tests, de manière à établir un protocole de test sans ambiguïté, il nous faudra dans un premier temps définir :

les composants testés

les paramètres électriques à mesurer sur les composants testés ainsi que les conditions de mesures de ces paramètres électriques

les conditions de polarisation à évaluer durant l’irradiation (toutes pattes à la masse, conditions de vol) et le protocole expérimental.

Pour la partie expérimentale, nous pouvons déjà prévoir:

Courbes à six différents débits de dose: de 10-3 à 100 rad/s avec 60Co (soit de 3,6 à 3,6x105 rad/h) jusqu'à 100 krad. Les expériences permettant d'obtenir les courbes à faibles débits de dose (10-3 et 10-2 rad/s) doivent être lancées dès le début de la campagne de test étant donné les longues périodes associées à ces expériences. De plus, ces courbes sont essentielles car elles permettront de définir un pire cas et donc de valider la méthode. En effet, elles permettront de choisir un faible débit de dose assurant un test conservatif. Un exemple de ces courbes est donné sur la Figure 3. En dessous d’un certain débit de dose, la dégradation peut être considérée comme constante. Il apparaît par ailleurs sur cette figure qu’un débit de dose de 0,01 rad/s peut être ou non un pire cas suivant le type de composant.

Figure 3: Courbes typiques de la dégradation en fonction du débit de dose : « Inversed S-shaped curve ».

Courbes en température 60°C à 0,001 rad/s (soit 3,6 rad/h, voire inférieur) jusqu'à 100 krad. Le but de cette expérience est de montrer que le test au sol à température ambiante est conservatif. Cette expérience nous permettra de montrer qu’à faible débit de dose, la température entraîne principalement un dépiégeage de charges et donc une guérison du composant.

Courbes de commutation pour deux forts débits de dose (100 rad/s et industriel) et pour deux faibles débits (0,01 rad/s et industriel, voire 10-3 rad/s). Les pas de commutation (pas entre les lots pour l’irradiation à fort débit de dose) sont de 5 krad jusqu'à une dose totale de 30 krad puis de 10 krad jusqu'à une dose totale de 100 krad, soit 13 pas. Etant donné qu'il n'est pas concevable d'utiliser pour tous les composants 13 pas de commutation, ce nombre de pas sera utilisé pour des composants simples et peu coûteux dans un premier temps afin d'avoir une vision claire de l'ensemble des résultats. Dans un second temps, un nombre plus faible de pas sera défini et utilisé pour les composants complexes et plus onéreux. Le but de cette étape est de permettre la validation de la méthode de commutation.

PHASE METHODE ET ANALYSE DES RESULTATS

A partir des premiers résultats expérimentaux, les conditions expérimentales à respecter pour réaliser un test seront étudiées: choix des débits de dose, choix des pas de commutation... .
Un premier protocole expérimental sera défini et validé à partir des résultat précédents (estimation de la dégradation et reconstruction de la courbe faible débit de dose).

Différents points seront également analysés:

Influence de la température à faible débit de dose.

Corrélation entre la dégradation des différents paramètres.

Effet des conditions de la polarisation pendant l'irradiation.

Applicabilité à d'autres technologies

Des expériences complémentaires pourront être ajoutées afin de valider le protocole expérimental.

PHASE OPTIMISATION

Cette phase permettra de définir avec précision le protocole expérimental à respecter pour réaliser le test de composants bipolaires.

De plus, une réflexion sera menée afin de mettre en place des outils permettant de réduire le nombre de composants à tester. Des outils d'optimisation/prédiction seront alors développés et évalués. Il n'est sûrement pas nécessaire d'obtenir tout les tronçons afin de reconstruire la courbe faible débit de dose (un exemple est donné sur la Figure 4).

Figure 4: Exemple d’optimisation permettant de reproduire la courbe faible débit de dose en diminuant le nombre de lots de composants à tester.

Les premiers résultats obtenus (Figure 2 et Figure 5) ont montrés que les tronçons pouvaient être translatés d'un même facteur quel que soit le paramètre électrique étudié afin de reproduire la courbe faible débit de dose. Ce résultat, s’il est confirmé, devrait permettre de nous focaliser sur l'étude d'un seul paramètre et d'extrapoler par la suite aux autres.

Figure 5: Application de la méthode de commutation pour les courants d'alimentation du LM139. Les valeurs utilisées pour reconstruire la courbe sont celles utilisées pour les courants d'entrée obtenus sur la Figure 2.

Il semble également possible de réduire le nombre de tronçons nécessaire à la reconstruction de la courbe faible débit de dose en utilisant l'allure générale d'une irradiation à fort débit de dose. En effet, lorsque des composants sont irradiés à différents débits de dose, les allures obtenues en fonction de la dose sont très similaires comme indiqué sur la Figure 6.

Figure 6: Courants d'entrée du LM111 en fonction de la dose totale. L'allure générale pour différents débits de dose est la même.

Le test permettant de vérifier rapidement si un composant est sensible ou non aux effets de débits de dose sera validé à partir des résultats de la première phase. Celui-ci devrait correspondre à une comparaison de la réponse fort/faible débit de dose après une première irradiation à fort débit de dose.